一. 來自傳感器的信號往往很微弱，需要運放進行放大，以便后續(xù)的數(shù)字化處理。圖一為基本差分放大電路，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的電路，當電阻值滿足：Rf/R1=R3/R2=K時,

Uo=K(Ui2-Ui1) ,K為差動放大倍數(shù)，圖一的K=10 ;

由于有同相端的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和反相端的負反饋網(wǎng)絡(luò)的存在，使得該電路的輸入電阻不夠大，如信號源的內(nèi)阻比較大或是變化的，將會使輸出信號產(chǎn)生較大的誤差，換而言之，這種差分電路只能配低內(nèi)阻信號源；同時該電路要求Rf/R1精確等于R3/R2，否則差分輸入和輸出之間將不是正比例線性函數(shù)關(guān)系，會同時放大共模信號，共模抑制比就會急劇下降，換句話說，該電路所用的電阻必須是低溫漂的高精度電阻。

圖一 基本差分放大器

為解決圖一電路無法處理高內(nèi)阻傳感器信號的問題，可在差放電路的兩個輸入端各加一個電壓跟隨器進行緩沖隔離，如圖二所示。電壓跟隨器輸入電阻極高，可認為斷路，不取用傳感器電流，不影響傳感器信號的大??；跟隨器的輸出此時是差放電路的信號源，其輸出電阻很低，可忽略其存在，就能滿足該電路對低內(nèi)阻信號源的要求。

圖二 帶緩沖器的基本差分放大電路

圖一所示的基本差分放大電路，其外接的四個電阻需要嚴格挑選，精確度要求很高，不易滿足。一般選用將四個電阻集成在芯片內(nèi)部的差分放大器。光刻芯片時，利用激光微調(diào)技術(shù)，可將四個電阻校準到極高的精度。INA143就是集成的基本差分放大器芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及示例如圖三所示。

圖三 集成差分放大器構(gòu)成的電路

二. 圖四是同相比例電路，平衡電阻R2=R1//Rf ,由I+ =0,知Up=Ui ;在深度負反饋條件下，Un=Up=Ui，即輸入電位轉(zhuǎn)移到了N點，使得Un=Ui ；易推導出Uo=(1+Rf/R1)Ui ,當斷開R1(即R1=無窮大)時，Uo=Ui，輸出跟隨輸入，得到圖五所示的電壓跟隨器電路。現(xiàn)根據(jù)前面提及的電路，說明圖六所示三運放構(gòu)成的差分放大電路。

圖四 同相比例放大電路

圖五 電壓跟隨器

圖六 三運放差分放大電路

圖六所示的三運放差分放大電路由兩級差動放大電路組成，A1、A2構(gòu)成第一級差放電路，是兩個同相比例電路的組合。由于引入了深度電壓串聯(lián)負反饋電路，使輸入電阻大大增加，可視為斷路，又使輸出電阻大大減小，可視為零，為第二級基本差放電路創(chuàng)造了優(yōu)良的工作條件；A3構(gòu)成了第二級差放電路。

根據(jù)前述同相比例電路的特點，Ui2轉(zhuǎn)移到了A點，即UA=Ui2 ;Ui1轉(zhuǎn)移到了B點，即UB=Ui1,故流過R2的電流為：i=(Ui2-Ui1)/R2 ;又因iA=iB=0 ,R1、R2、R1中流過相同的電流i，所以對于差模信號而言：

Uo2-Uo1=(1+2R1/R2)(Ui2-Ui1) ,

Uo=Rf/R(Uo2-Uo1) ;

對于共模成分電壓而言：

Ui2=Ui1=Uic(共模電壓)，此時i=0，Uo2=Uo1=Uic ，即共模電壓沒有被放大，而是直接轉(zhuǎn)移到了第一級輸出端，這就降低了對第二級運放A3的共模抑制比要求。

若A1、A2選用相同特性的運放，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓都相等，再通過第二級差分電路，就可以相互抵消。電阻R1、R2、Rf和R應使用低溫漂精密電阻。

這種三運放構(gòu)成的差分放大電路，已有多種型號的集成芯片，如INA102、INA848,一般稱之為儀表放大器，用它們對微弱信號進行處理，更加簡潔、精準、方便，當產(chǎn)品對成本無苛刻要求時，應優(yōu)先選用。

編輯：黃飛

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